基于RFID的动车运用所工具安全管理系统设计.pdf

2023年/第8期 物联网技术智能处理与应用Intelligent Processing and Application1150 引 言随着“交通强国，铁路先行”口号1的提出，我国高铁里程快速延伸，动车组需求量不断增加，而动车组车型种类繁多，其检修作业需要的工具也日渐繁杂。为实现动车组零故障出库要求，动车组一次检修作业中，一名地勤机械师通常需要一套工具包（16 件套组）、对讲机、摄像手电筒和其他专项作业若干工具。而在动车所工具间，采用二维条形码和手工登记借还工具，条形码只能单个扫描，工具又存在集中借还，常常出现排队现象。加上条形码极易污损和脱落，检修过程中常常伴随着灰尘和油污，归还时条形码往往已经磨损或遗失，需要在系统查询借还人姓名才能归还，效率低下。并且在检修过程中，如果工具遗失在动车组内，特别是裙板内、车顶，会造成极大的安全隐患，严重威胁动车组安全运行。许多学者针对国内维修工具现状进行了深入的研究。刘贺路认为日常维护作业所使用的人工工具管理的方式存在低效率的问题2；张仪哲认为信息技术在提升民航维修工具管理效率方面发挥着至关重要作用3。成硕认为随着时代的发展，传统的人工管理方式已经无法满足铁路工具清点的需 求4。因此，本文开发一个基于先进技术的工具清点系统，以更好地满足日益增长的需求。杨丽将 RFID 技术运用到高铁工具管理，设计了一种手持式高铁工具管理系统5；崔利杰等针对当前航空维修管理模式进行需求分析，基于无线射频设计了一个航空工具管理系统6；Cardoso 等运用 RFID 的超高频（UHF）电子标签与智慧交通系统相结合7。上述文献对 RFID 技术及相关应用进行阐述，提出了一些 RFID 技术在工具管理领域的新方法，但主要集中在理论层面，与当前动车所检修作业有所差距。结合当前理论研究，科学地构建一套基于 RFID 的工具安全管理系统对于保障车组安全、优化工作流程有着积极作用。1 RFID 技术与工具管理现状1.1 RFID 技术射频识别技术（RFID）8是中国近年来兴起的一种非接触式自动识别技术，是一种利用射频信号通过空间耦合（电磁场或交变磁场）实现无接触信息传递并通过传递的信息达到识别目的的技术。其原理是工作中的 RFID 阅读器通过天线发射射频信号，RFID 标签接收信号，通过耦合产生感应电流，RFID 标签从而获取到能量，驱动控制模块读取芯片中存储的信息（无源标签），或采用 RFID 标签内部集成的驱动电流对存储信息进行读取（有源标签），最后通过射频模块和天线将信号传输给 RFID 阅读器，阅读器完成信号的解码工作，传给处理器进行后端处理。RFID 系统结构如图 1所示。1.2 动车运用所工具管理现状经过对现场情况的分析与相关资料结合，发现目前动车所的工具管理存在 4 个问题。（1）工具种类繁杂、数量多、价格昂贵。在动车所工具间，一天检修作业工具交接就达到上千项。其中工具名称、规格、数目、存放货架各不相同。还有力矩校准需要现场给出条形基于 RFID 的动车运用所工具安全管理系统设计汤文顺，王祖良（西京学院 电子信息学院多源异构实验室，陕西 西安 710123）摘 要：随着“交通强国，铁路先行”口号的提出，我国高铁路网规模快速扩大，从“四纵四横”发展到“八纵八横”。动车组是高尖端技术的集合体，其检修是保障安全运行的关键，其检修作业需要的工具也日趋繁杂。针对传统的动车运用所检修工具管理模式存在的不足，文中运用射频识别技术（RFID）设计一个动车运用所工具安全管理系统，实现动车所工具在一定空间区域的批量借还、批量清点。同时利用布置在动车运用所各处的阅读器和路由器实现区域定位、安全联锁功能。采用前后端分离架构，利用 HTML、JavaScript 编写前端界面，采用 SpringBoot 和MyBatisPlus框架开发后端系统。基于Android开发手持端，实现数据采集与上传。选择MySQL数据库进行数据存储，提高了动车所工具管理效率，保障了动车组安全运行。关键词：动车运用所；射频识别技术（RFID）；安全管理系统；检修工具；区域定位；安全联锁；MySQL 数据库中图分类号：TP315；TP391.44；U284.92 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2023）08-0115-04收稿日期：2022-12-14 修回日期：2023-01-19基金项目：陕西省重点研发计划重点项目（2018ZDXM-NY-014）DOI：10.16667/j.issn.2095-1302.2023.08.031物联网技术 2023年/第8期 智能处理与应用Intelligent Processing and Application116码标签，加上工具大多数购入为意大利BETA品牌，价格昂贵，工具间管理人员需要十分细致和耐心。（2）检修库面积大，工具难以定位。常规检修库为 6 股道 2 列位，加上动车组编组长，检修项目多。根据动车所检修规范要求9，工具丢失、遗漏未找到时动车组不准出库上线，检修人员需要停止作业寻找工具。日常检修任务繁重，这样不仅耗费人力，而且造成潜在安全隐患。（3）工具借还时间集中。动车所检修作业通常是开工、结束、交接班关键时间节点借还。因为数量繁杂，借还人数多，工具间人员面临巨大的压力，借还效率低下。（4）工具不能合理规划。动车所存在重配置、轻管理现状10。部分工具借用频繁，借用时库存为零，而有少量工具却很少使用，同时无法及时统计破损待修复工具。常常检修人员会有私下交接工具现象，造成工具管理混乱。图 1 RFID 系统结构图传统的条形码和手动登记模式已经逐渐适应不了动车所工具管理要求。针对现状，本文结合 RFID 技术提出一种升级的动车运用所工具安全管理系统。1.3 方法对比条形码技术经过多年发展有着非常广泛的使用，但是RFID 技术有着其不可替代的优点。传统条形码和 RFID 标签对比见表 1 所列。表 1 条形码和 RFID 对比表比较类别条形码RFID 标签安全性低高工作环境适应性差，易污损适应恶劣环境识别效率单标签识别多标签识别识别距离小于 80 cm最大可达数十米识别时间1 2 s0.1 s容量1 100 B数 MB使用方式可视范围内无需在可视范围内使用寿命短长读写能力只读读/写定位能力无有2 系统方案设计2.1 需求分析2.1.1 用户管理需求（1）用户账户添加、删除：通过系统管理员进行手动添加、删除用户。（2）用户登录：用户输入账户密码经过后台验证通过才能进入到操作界面。（3）用户账户信息修改：用密码修改，用户账户信息由入职时系统管理员添加，个人不可修改。2.1.2 工具存储管理需求（1）新入库工具：根据入库单核对信息正确后。对工具分配货架、类型、唯一标识码，进行编码后放入指定工具区。（2）归还工具：通过对比数据库中的出库信息，可以计算出未归还的工具的数量，并显示所有已归还或部分已归还，同时可以更改工具状态。（3）操作记录需求：结合用户信息和操作信息，形成入 库、归还操作记录日志。2.1.3 工具借用出库管理需求（1）借用工具：工具间管理人员根据任务作业单提前准备工具，工具出库变更工具状态。（2）报废工具：工具报废需要提交申请报告，领导审批后方可报废。记录报废工具信息（数量、位置、编号），放置报废区域，变更工具状态。（3）操作记录需求：结合用户信息和操作信息，形成借 出、报废操作日志。2.1.4 工具清点需求工具清点需求：工具管理人员可以随时对工具间各种工具进行清点，掌握当前工具状态，与出库工具对比，及时发现工具有无遗漏。2.2 功能模块动车运用所工具安全管理系统由数据库服务器、工具找寻模块、安全联锁模块以及智能工具管理系统软件等部分组成，动车运用所工具安全管理系统的主要功能模块如图 2 所示。（1）系统管理模块。系统管理模块是为了方便进行人员管理，并对不同人员分配权限，通过管理员账户密码进行登录操作。（2）工具操作模块。工具操作模块是对工具信息、RFID标签信息生成进行编辑操作，对工具进行管理，是管理人员日常操作模块。管理人员可以利用 RFID 手持阅读器对工具进行批量借还。2023年/第8期 物联网技术智能处理与应用Intelligent Processing and Application117（3）工具找寻模块。工具找寻模块是当工具遗失后，首先通过安全联锁模块确定丢失区域，再通过手持终端对带有RFID标签的工具进行找寻，通过信号值大小确定工具遗失位置。（4）安全联锁模块。通过在动车运用所各个区域出入口设置 RFID 阅读器，可以锁定工具所在区域范围。并在三层平台和动车出入口设置 RFID 阅读器，有效避免工具遗漏三层平台后进行合闸送电和避免动车所财产流失。（5）工具状态模块。动车运用所拥有较多计量工具，需要定期校准机构，有计量工具时效管理功能。将原来力矩校准数据由手写登记变成系统记录。还包括库存数量查询、逾期未归还提醒、工具溯源查询、工具状态管理功能。（6）作业派发模块。检修任务开始前会派发检修任务作业单，作业派发模块可以根据检修作业单发送数据给工具管理人员，提前备好检修工具，提升集中借取时工作效率。（7）数据存储模块。建立一个完善的数据库体系对于管理信息系统至关重要，并提供了强大的支持和保障。采用MySQL11数据库存储数据。2.3 流程设计在基于 RFID 的动车运用所工具安全管理系统中整体流程如图 3 所示。图 3 动车运用所工具安全管理系统流程当检修任务下发时，会自动同步到动车运用所工具间，工具间管理员能根据作业单派发任务提前准备工具，利用RFID 技术批量借入借出工具。检修人员进入检修库，检修库门口的 RFID 阅读器能扫描到工具进入此场所，开始检修任务。接触网断电，开始车顶作业，进入三层平台时，三层平台出入口设置 RFID 阅读器扫描工具进入此场所。当车顶作业结束申请合闸送电时，如果工具遗漏在车顶，三层平台阅读器判断工具仍在此区域，触发安全联锁装置，拒绝合闸送电。同理，当所有检修作业结束，归还工具，发现工具遗失，也根据不同检修库出入口阅读器确定遗失区域，然后利用手持终端根据信号值大小12搜索遗失工具。并且在动车运用所出入口大门设置 RFID 阅读器，如果无权限员工携带工具出所，系统发出报警，保障动车运用所财产安全。3 系统实现3.1 总体布局规划通过应用 RFID 技术，制定一个动车运用所工具安全管理系统的总体布局规划，并根据功能模块对区域进行划分，以达到优化效果。系统总体布局规划图如图 4 所示。图 4 系统总体布局规划图（1）工具间工具库存区：主要是用于对工具进行存放，满足动车运用所工具存放要求。工具存放主要按照货架编号，工具编号按工具类型进行摆放。所有工具都有相应的 RFID电子标签，工具间管理员利用 RFID 电子标签对工具进行信图 2 功能模块分解图物联网技术 2023年/第8期 智能处理与应用Intelligent Processing and Application118息读取并清点工具。（2）工具间工具借还区：针对检修人员借还工具划定区域，做到和其他区域互不干扰，实现工具批量借还，同时对力矩校准信息录入标签。（3）信息系统区：信息系统区包括服务器、数据库、天线、网关，负责对动车运用所工具安全管理系统数据进行处理和反馈，数据通过路由器和线路进行传输。（4）安全联锁区：安全联锁区包括各检修库、检修库三层平台、动车运用所出入口，实现对工具的定位和安全联锁功能，保障动车组检修安全和动车运用所财产安全。3.2 计算机端动车运用所工具安全管理系统采用 B/S 架构，前端采用 HTML、JavaScript 编写，框架布局使用 Vuetify，后台采用 Java，基于 SpringBoot13和 MyBatisPlus 框架实现快速开发，数据库采用 MySQL。计算机端操作界面如图 5 所示。图 5 计算机端操作界面3.3 手持机端基于 Android14平台的相关 RFIDSDK 开发包进行开发，Android 手持机主要用于数据采集，数据处理通过 API 接口上传数据到后台服务器进行处理。手持机端如图 6 所示。图 6 Android 手持机操作界面4 结 语深入研究动车所日常运维工作工具效率管理办法，是当前铁路信息化、智能化建设中的关键环节，对铁路整体运维效率提升有着重要意义。本文针对动车所日常检修作业对所使用工具的管理需求，提出一种基于 RFID 的动车所工具安全管理系统，实现动车所工具管理数字化、智能化管控，提升工具管理效率，保障动车组运行安全和动车运用所财产安全。该系统也可以扩展到航空检修、电力检修等复杂场景，具有广泛应用前景。参考文献1 本刊编辑部.新时代交通强国铁路先行规划纲要 J.铁道技术监督，2020，48（9）：1-6.2 刘贺，钟桂东，樊征臻.铁路智能工具管理系统 J.铁道通信信 号，2020，56（10）：59-62.3 张仪哲.航空维修管理信息系统 J.大众科技，2011，14（6）：22-23.4 成硕.基于 RFID 信号维修工具管理系统 D.北京：中国铁道科学研究院，2016.5 杨丽.基于 RFID 的手持式高铁工具管理系统设计 D.成都：西南交通大学，2017.6 崔利杰，甘露，陈浩然，等.基于 RFID 的航空维修工具管理系统设计 J.计算机应用与软件，2021，38（10）：15-21.7 YIN X.Verification of prognosability for labeled petri nets J.IEEE Transactions on Automatic Control，2018，63（6）：1828-1834.8 孙其博，刘杰，黎羴，等.物联网：概念、架构与关键技术研究综述 J.北京邮电大学学报，2010，33（3）：1-9.9 韦皓.中国高速动车组运用检修状况与发展 J.铁道机车车辆，2017，37（5）：64-67.10 魏起，陈予哲.浅谈动车所检修工具管理系统应用优化 J.中国设备工程，2020，36（19）：51-52.11 清宏计算机工作室.MySQL 编程技巧 M.北京：机械工业出版社，2002.12 EL SWIEFY B H，EL 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